1. 化工熱力學對生產作用
。 化工熱力學中從生活中來到 生產中去的實例 3 馮 新,陸小華,吉遠輝,錢紅亮 (南京工業大學材料化學工程國家重點實驗室,江蘇南京210009) [摘要]生動的實例是改變化工熱力學枯燥、抽象局面的良葯。本文列舉了多個「從生活中來到生產中 去」與熱力學原理密切相關的實例,以期激發學生的興趣,使他們體會到化工熱力學的魅力。 [關鍵詞]化工熱力學;實例;pVT性質;偏摩爾性質;節能減排 FengXin,LuXiaohua,JiYuanhui,QianHongliang Abstract:tract,.However,vividexampleswillexcitethem.Inthispaper,manyexamples,,』amics.Keywords:;Practicalexamples;pVTproperty;Partialmolarproperty; 眾所周知,化工熱力學是化學工程的精髓。然而,該課程是枯燥的、難學的,抽象的概念和多 而繁瑣的公式往往令眾多學子望而生畏。 [122] 理解是走向真知必不可少的階段。[2] 作者認 為,生動的實例是改變該局面的良葯。考慮到學生對生產沒有感性認識,課程教學應盡可能用「從生活中來到生產中去」的實例,並精心設計。編制鮮活實例是不易的,這也是一線教師最大的苦惱。本文願意與大家共享作者編寫、收集的多個例子,也許它們還不夠成熟和准確,但以期能起到拋磚引玉的作用,希望更多的教師加入這個隊伍,以便 更多的人能共享他的智慧和成果。 一、流體的pVT性質 臨界溫度Tc是過程安全最重要、最普遍的基本概念之一。因此,作者在設計pVT例題時,始終圍繞著這個知識點。 【例1】pVT行為與液化氣成分選擇的關系液化氣是理想的氣體燃料。對家庭用液化氣的要求是加壓後變成液體儲於高壓鋼瓶里,打開減壓閥後即汽化,以便燃燒。現有如表1所示的6種物質作為液化氣成分的候選氣體。 (1)請根據對液化氣儲存和使用的要求來選 2 4擇液化氣成分。 (2)請解釋以下現象:到冬天,有時鋼瓶內還有較多液體卻不能被點燃。 表1 各種氣體的Tc、pc以及正常沸點Tb[3] 物質Tc,℃pc,atmTb,℃燃燒值,kJ/g 甲烷-82.5545.36-161.4555.6乙烷32.1848.08-88.6552.0丙烷96.5941.98-42.1550.5正丁烷151.937.43-0.549.6正戊烷196.4633.3236.0549.1正己烷 234.4 29.80 68.75 48.4 解:(1)根據液化氣候選成分Tc、pc的范圍畫成p2T示意圖,見圖1。 圖1 例1中液化氣候選成分的p2T圖 設廚房室溫為10～40℃,壓力為1atm。從圖1中可以看出,甲烷在室溫下始終是氣體,若不把 甲烷的溫度降至Tc即-82.55°C以下,則無論施加多高壓力都不能使其液化———因此甲烷不適合做液化氣成分;乙烷的Tc為32.18°C,到了夏天一旦超過32.18°C,則壓力升高會引起爆炸———因此乙烷也不適合做液化氣成分;正己烷在室溫下就是液體,不需要壓縮,但它的正常沸點Tb為68.75°C,無論春夏秋冬,打開減壓閥它都不會氣 化———不適合;正戊烷室溫下能液化,但在大多季節不能氣化———不適合;因此,只有丙烷和正丁烷符合要求。 (2)多數液化氣會含有少量戊烷等C5、C6成分,冬天室溫較低,戊烷等高級烷烴不能氣化導致殘液產生。 【例2】pVT行為與汽車新燃料壓縮天然氣間的關系 隨著汽油不斷漲價,既經濟又環保的天然氣已成為汽車發動機的新燃料,越來越多的公交車 和計程車改燒天然氣(主要成分為甲烷)。為了使單位氣量能行駛更長的里程,天然氣加氣站需要將管道輸送來的0.2MPa、10℃的天然氣壓縮灌裝到儲氣罐中,製成壓縮天然氣,其壓力為20MPa,由於壓縮機冷卻效果在夏天要差,所以氣 體的溫度在冬天為15℃,夏天為45℃。已知儲氣罐體積為70L,每kg甲烷可行駛17公里,問: (1)如果將20MPa,15℃壓縮天然氣當做理想氣體,則與RK狀態方程相比,它計算出來的一罐壓縮天然氣的行駛里程多了還是少了,相差多少公里?(按冬天算)。試問:此時的壓縮天然氣能否當做理想氣體? (2)如果將管道輸送來的0.2MPa、10℃的天然氣不經壓縮直接裝入儲氣罐中,一罐天然氣能行駛多少公里? (3)為了行駛更長的里程,在其他條件均不變的情況下,是否可以通過再提高壓力使壓縮天然氣變成液化天然氣來實現?你有什麼好的建議? (4)據計程車司機說「同樣一罐壓縮天然氣,夏天跑的里程比冬天要短」,為什麼?請說出理由,並估算出同樣每天行駛300公里,夏天比冬天要多花多少錢?(一罐壓縮天然氣約50元。必要 的數據可以自己假設)。 解:(1)①由理想氣體狀態方程可得 V= RT p=1.198×10-4m3・mol-1;n=V總V =584.31mol; 行駛里程S理想=584.31×16×10-3×17=158.93km ②根據RK方程 求得V=0.0000980m3・mol-1 n=V總 V =714.29mol 行駛里程為:SRK=714.29×16×10-3×17=194.29km VS=SRK-S理想=194.29-158.93=35.36km 由此可見,如此高壓下的壓縮天然氣不能當做理想氣體。 (2)用RK方程計算得: 3 4 化工熱力學中從生活中來到生產中去的實例V=0.0192909m3 ・mol-1 ;n= V總 V =3.63molS=3.63×16×10 -3 ×17=0.987公里 由此可見,作為汽車燃料,管道輸送來的天然 氣必須經壓縮機壓縮成高壓天然氣才有實際意義。 (3)不可以。因為,「其他條件均不變」意味著溫度也不變,由例1可知,當溫度在10℃左右,大於Tc時,無論施加多大的壓力都不能使之液化。因此,只有必須將其溫度降低至-82.55°C以下,再加壓才行。 理論上,溫度降至-82.55°C,即可能加壓液化,但壓力極高為4.60MPa,由流體的p2V2T關系可知,溫度越低,所需壓力越低,因此實際上液化天然氣的溫度常降至-162℃,這樣在常壓下即能變成液體。 (4)①由(1)可知,冬天氣體溫度為15℃時,每罐壓縮天然氣行駛194.29公里,那麼每公里花 費50194.29=0.257元;②同樣方法計算夏天氣體溫度為45℃時,每 公里花費50 163.94 =0.305元 因此,同樣每天行駛300公里,夏天比冬天要多花的錢為300×(0.305-0.257)=14.4元/天;一個季度要多花1300元。 這是因為V∝T,當夏天溫度增大後氣體的摩爾體積V增大,由於儲氣罐的總體積是一定的,因此裝入的壓縮天然氣摩爾數n=V總/V變小,隨之行駛的里程數減小。所以同樣一罐氣夏天跑的里程比冬天要短。 【例3】汽車輪胎里的壓力與胎內空氣的溫度相關。當胎內空氣溫度為25℃時,壓力表顯示210kPa。如果輪胎的體積為0.025m3,當夏天胎 內空氣升至50℃時,壓力表應顯示為多少?為了輪胎的安全使用,需要輪胎恢復到原來的壓力,此時輪胎內應該放掉多少空氣?假定大氣壓為 100kPa,空氣的成分21wt%O2;79wt%N2。[4] 請給出解題思路。 解:解題思路見圖2。需注意的是:壓力表顯示210kPa,則實際壓力應為210+100(當地大氣壓)=310kPa 圖2 例3解題思路 44化工熱力學中從生活中來到生產中去的實例 答:(1)25℃,V1=0.0079854m3・mol-1;n1 =0.025/0.0079854=3.13mol (2)當夏天胎內空氣升至50℃時,壓力表應顯示為336.15-100=236.15kPa。 (3)50℃,V3=0.00866m3・mol-1;n3=0.025/0.00866=2.887mol 故放掉3.13-2.887=0.243mol的空氣。 二、偏摩爾性質 偏摩爾性質是一個比較抽象的概念,很難舉例。以下兩個例子均是用人與人之間的相互作用來比喻。 【例4】現今世界最著名的熱力學權威,美國總統獎獲得者、美國三院院士、加州大學伯克利分校化工系J.M.Prausnitz教授是這樣描述的:[5] 分子之間的力通常是十分特殊的,在這種情況下,遺憾的是不可能用純組分的性質來預測(即使是近似地預測)混合物的性質。如果我們考慮下面一個牽強的類比,這一點就不奇怪了。設想一個在俄羅斯的社會學家,仔細地研究俄羅斯人的行為,觀察了若干年後知道了關於他們的一切。然後他到中國對中國人進行了相似的透徹的研究。那麼憑借這些知識,他能否預言由俄羅斯人和中國人任意混合所形成社會的行為呢?大概是不可能的。這種類比是高度極端的,但它能提醒我們,分子不是盲目地在空間移動的惰性粒子,相反,它們是復雜的「個人」,其「個性」對它們的環境是敏感的。 【例5】中國有一句俗話:「男女搭配幹活不累」! 男生女生之間會產生相互作用,不能拿他們單獨時的行為來描述男女生在一起時的行為,即「男女生一起的力量≠男生力量+女生的力量」。 三、Henry定律【例6】高山反應與Henry定律 由於高山上壓力很小,大氣中的氧分壓 pO2=p・y空氣中O2 (1) 而血液中的氧溶量為: pO2=kO2x血液中O2 (2) 由(1)式知,因為氧氣在大氣中的比例恆定保 持y空氣中O2=21wt%,因此,當高山上總壓變小(海拔3000米時,p=0.701×105Pa)則導致pO2變小;由(2)式知,當pO2變小,則x血液中O2變小,大腦由於缺氧就發生了高山反應。 【例7】高壓氧艙與Henry定律 高壓氧治療是將患者置於1.4atm以上的治療艙內,並間歇性吸入100wt%氧氣的治療方式。原理同【例6】,一方面提高了總壓p,另一方面提高了y空氣中O2,兩者使pO2增大。根據(2)式, x血液中O2隨著高壓氧艙內pO2的提高而提高,提高 7221倍,從而使大腦組織得到充分氧供。 【例8】用表2來解釋:空氣比CO2更廉價和無毒,為何不能用來製作蘇打和冒泡香檳?[6] 表2 25℃下溶解在水中的各種氣體的Henry常數[6]氣體H/bar 氣體H/bar氣體H/bar 乙炔1350乙烷30600硫化氫550空氣72950乙烯11550甲烷41850二氧化碳1670氦氣126600氮氣87650一氧化碳 5400 氫氣 71600 氧氣 44380 解:因為空氣的Henry常數較CO2大,則在香檳或雪碧中的溶解度就較小,形成的氣泡就少,所以不適合用來製作蘇打和冒泡香檳。 四、節能減排【例9】重慶長風化工廠連續虧損15年,依靠科技創新半年獲利潤2000萬元,實現了從巨額虧 損到巨額利潤的質的飛躍。 [7] 解決方法:全廠所有生產過程中的化學反應熱和工藝余熱進行排序。將每套生產裝置的產熱過程和用熱過程進行聯動集成,將不同裝置的產熱和用熱過程進行跨裝置集成,使熱能供需的雙方不僅在數量上相符,同時在質量上相配,並努力用低檔余熱換出較高品質的能量。燃煤鍋爐沒了,該廠每年節約燃煤成本1000萬元。【例10】液化天然氣冷能利用成了循環經濟熱項目。 液化天然氣(LNG)具有熱值高、污染小等特點。使用過程中須耗費大量的熱能使其轉化為常溫天然氣。通常的做法是以海水作為熱源。按返回的海水溫度降低5℃計算,則氣化300萬噸LNG一年約需1.2億m3的海水吸收冷能。 如果利用其冷能建設一套3萬m3/hr的空分裝置,則可年產氣氧28.6萬噸,實現產值2億多元。該裝置與傳統生產液態產品的空分裝置比較,由於有效回收和利用了LNG中的冷能,可節電50%—60%,節水70%—90%,(下轉第66頁) 5 4 化工熱力學中從生活中來到生產中去的實例溝通協調的局面必須打破,建立以過程為對象的 管理機制和協調機制則是實現過程管理的當務之急。 (四)經常永續地改善系統「改善」不是一件一勞永逸的工作。環境的變化要求我們必須將現有工作過程的改善不斷推向深入。決不能認為「到目前為止我們已經實現了工作過程的最優化,目前的狀態在一定時間內緩釋經得起考驗!」因為這種想法只會使我們產生懈怠心理,從而放鬆發現工作過程中潛在問題出現的警惕性。對於過程的改善應永遠保持進行狀態,這樣,我們的系統才會有可能處於高效的 狀態。 (文字編輯:吳文水)參考文獻: [1]汪應洛.工業工程[M].西安:機械工業出版社,1996.5. [2]劉廣第.質量管理學[M].北京:清華大學出版社,1996.2. [3]詹姆斯・W・沃克.人力資源戰略[M].北京:中國人 民大學出版社,2001.4. [4]樊耘.管理學[M].西安:陝西人民出版社,2001.8.[5]趙濤.發現戴明[M].北京:北京工業大學出版社,2002.6. (上接第45頁)同時減輕海域環境冷污染。 另外,利用LNG冷能發展循環經濟拓展旅遊資源。如「冰雪大世界」項目是將LNG氣化過程中的冷能,通過載冷劑傳輸至冰雪世界換熱站,將冷量梯級利用於冰雪旅遊世界的不同功能區,為滑雪場、滑冰場、酒店等梯級提供冷能,實現LNG冷能的綜合利用。這不僅可以讓市民在夏 天享受到賞雪滑冰的樂趣,還能有效控制大量冷能對環境的破壞。 五、製冷與供熱【例11】熱棒技術解決了青藏鐵路凍土問題。青藏鐵路建設的1110公里新線中,有550公里要經過多年凍土地段。凍土是一種對溫度極為敏感的土體介質。冬季,凍土在負溫狀態下隨溫度的降低體積發生劇烈膨脹,頂推上層的路基、路面;在夏季,凍土隨著溫度升高而融化,體積縮小後使路基發生沉降,這種周期性變化往往很容易導致路基和路面塌陷、下沉、變形、破裂。 現在每隔15米就豎立的熱棒技術解決了凍土問題。熱棒(又叫無芯重力式熱管、熱虹吸管)是一種高效熱導裝置,長7米,路基下5米,地面上2米,整個棒體罐有液氨。當路基溫度上升時,液態氨受熱發生氣化,上升到熱棒的上端,通過散熱片將熱量傳導給空氣,氣態氨由此冷卻變成了液態氨,又沉入了棒底,這樣周而往復,熱棒就相當於一個永動的天然製冷機,不斷地將凍土層中的熱量排出,使其永久凍結。 愛因斯坦說過:雖然物理學的大部分理論都 會隨時間而改變,但熱力學是普適而永恆的。[5] 化工熱力學是枯燥和抽象的,但我們相信通過努力,使學生透過熟悉的現象看到科學的本質,那學生們一定能體會到化工熱力學的魅力所帶來的快樂!因為「了解事物的本質是令人愉快的!」 (文字編輯:吳文水) 參考文獻: [1]馮新,陸小華.以學生為本的化工熱力學課程教學改 革[J].化工高等教育,2006,(4):30234. [2]張楚廷.科學課程的改造[J].中國大學教學,2004,(9):15218. [3]陳鍾秀,顧飛燕編.化工熱力學(第二版)[M],北京: 化學工業出版社,2001.2952297. [4]YunusA.CengelandMichaelA.Boles.Thermody2namics:AnEngineeringApproach(6th)[M].McGraw2Hill,2006.1592160. [5](美)普勞斯尼茨等著,陸小華,劉洪來譯.流體相平衡 的分子熱力學(原著第三版)[M].北京:化學工業出版社,2006.1142115. [6](美)史密斯等著,劉洪來,陸小華等譯.化工熱力學導 論(原著第七版)[M].北京:化學工業出版社,2008. 2182219. [7]鄧經國.從巨額虧損到巨額利潤———重慶長風化工廠 科技創新紀實[N].中國化工報,200628222.
2. 變電站中的接地網起到什麼作用原理是什麼
起保護作用，合格的接地網可以有效的保證用電設備的漏電安全，對霹雷也有幫助。
接地棒的工作原理:不論外部安裝避雷針還室裝設的避雷器其最終目的都是將入侵雷電能量或內部浪涌（過電壓）引導泄流入地，以避免雷擊傷害，因此最終的泄流入地是整個防雷工程的關鍵，接地是保證電流安全迅速泄入大地的重要環節。